2.3　河流的组成

从河流的定义看,河流由径流和约束边界两部分组成。径流包括地表径流和地下径流。约束边界包括“硬性边界”和“柔性边界”。“硬性边界”指河槽,由河床和岸坡组成,水流主要在其中流动。河床包括主槽、河漫滩。岸坡包括两侧的河岸边坡和人工修筑的堤防。“柔性边界”指大气,河槽上部开口是大气。

自然界中的河流实际上是一个系统,一个复杂的开放的河流系统。

从纵向看,河流系统是由河源、干流、支流、河口,以及与其有紧密水力联系的湿地、湖泊组成的水系。从高空俯瞰,河流像是大地上蜿蜒飘逸伸展的丝带,起于崇山峻岭,穿越广袤平原,最后到达一望无垠的大海。从横向看,河流系统包括河槽、水体、洪泛区、一定范围的岸缘及其附着的生物带。

从物质组成看,河流系统是个十分复杂的综合体,包含生命体和非生命体,有机物和无机物。

河流中的水不是纯净的水,包含有各种介质和水生生物。这些介质有溶解性物质,有非溶解性物质。这些介质包括:①悬浮物质,例如泥沙、蓝藻、原生动物、细菌、枯枝落叶、植物种子、不溶性有机物等,悬浮物在静水中会沉淀;②胶体物质,例如硅、铝、铁的氧化物等形成的无机物胶体;③溶解性气体,例如溶解氧、二氧化碳、硫化氢等。溶解气体含量一般随水温增高而减少,随水面气压增大而增大,水体流动会增加溶解气体的含量;④溶解的离子,例如,Ca2+、Cl-、Mg2+、K+、Na+、、等,不同的离子含量意味着不同的水体酸碱性和溶解性总固体(TDS);⑤溶解性有机物。水生生物有浮游植物(如浮游藻类)、浮游动物(如轮虫)、漂浮植物(如绿萍)、游泳动物(如鱼类)等。

组成河流边界的岩土也十分复杂。岩土是三相体,内有气体、液体、固体。受地质运动、物理化学风化和河流搬运沉积作用的长期影响,会形成不同类型的岩土,包含不同类型的矿物成分,例如石英、长石、云母、高岭土、伊利石、蒙脱石、碳酸盐、石膏等。岩土也会呈现不同的天然结构,表现不同的强度和抗冲蚀性能,例如,岩石的风化程度会有差异,土在工程上根据组成颗粒的大小和粒组的占比不同而分为不同的类型。在长期的自然作用下,岩土中生存有各种生物,例如,河流底泥中生活有微生物和底栖动物,有挺水植物、浮水植物扎根其中;河岸上生长有高大的乔木、低矮的灌木丛和开满鲜花的野草,树丛草丛中有鸟兽栖息。

河流是复杂的开放系统。河流是地球水循环的组成部分(图2.3-1)。河流接收、汇集降水,输送到大海;河水、海水蒸发形成空中水汽,水汽冷凝成降水。河流也是生物圈碳循环的一部分(图2.3-2)。水中的绿色藻类和绿色水生植物,吸收大气中的二氧化碳,利用太阳光进行光合作用,制造有机物,提供鱼类、微生物食物,水草也可以被收割作为家畜的饲料。动植物呼吸又会放出二氧化碳。这些动物植物的残骸,会形成有机物沉积,尤其湿地,会形成泥炭。河流与周边围环境有物质、能量的交换,例如,水体与大气之间通过水的三态的变化完成能量的交换;植物的种子随着水流漂泊,随着鸟类传播,完成了遗传物质的扩散。河流与周边环境相互作用的例子不胜枚举。

河流系统的物理边界并不那么清晰,尤其横向边界和垂向边界。在横向,两岸需要延伸到什么范围?是历史最大洪水对应的最大洪泛区边线,还是流域的分水岭?在垂向,多深的范围才算地下径流的范围?是到第一个连续的相对不透水层么?对于自然界一个开放的子系统,其边界模糊可能才是合理的。当然,对于工程规划设计之类的问题,模糊边界构不成制约性因素。工程设计允许误差,满足实际需要就行,可以根据设计中的具体问题对工作边界进行取舍。对于城市河流,在流域或行政区域的范围内规划,在蓝线的范围内设计,一般不会遇到太大的问题。